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（3）远场为椭圆光斑。
因此半导体激光器列阵的输出光束必须要经过光学系统的准直后才能实际应用。 目前，己经有许多技术或方案被应用于实验室或生产领域并取得一定的效果，但是，所有这些技术或方案都存在这样或那样的问题，比如：有些技术整形效果很好但器件的加工却非常困难从而限制了该技术的推广应用；而有些技术，虽然加工容易、取材方便，但其整形效果却不太理想。所以，提出新的整形方案或对原有技术加以改进，研制出高效、简单、容易实现的整形系统是半导体激光束整形技术发展的主要途径。 1.3.2 准直技术的研究现状和发展方向
激光束准直系统是光电系统中一个重要的组成部分，其目的是要压缩光束的发散角，并缩小子午方向和弧矢方向发散角之间的差距，使得激光器输出的椭圆光斑整形为圆对称光斑。
下面简要介绍国内外在准直技术研究中所采用的有代表性的方法。 国外方面：
2000年，德国耶拿激光二极管公司对一种改进的面阵激光整形系统进行了研究。同年，美国能源部Sandia国家实验室也进行了激光束整形技术进行了理论研究。
2002年至2003年，Alabama大学对激光束整形研究进行研究。美国Florida，Orlando大学光学研究中心对高斯－圆光束整形进行了研究。
2005年，德国Fraunhofer应用光学与精密机械研究中心对半导体激光高亮度光纤耦合进行了研究。
国内方面：
2003年，电子科技大学物理电子学院光通信技术研究室对“半导体激光器的衍射准直透镜的优化设计”进行了研究，该文针对国内外现有半导体激光器准直器件的缺点，提出了一种用于半导体激光器准直的相位型二元菲涅耳衍射透镜的优化方法，可提高衍射透镜的衍射效率，增大衍射透镜的数值孔径。
2004年，重庆师范学院对“圆柱透镜对半导体激光束准直性能的改进”进行了理论研究，仔细分析了半导体激光器快轴方向发散光束通过圆柱透镜后的准直特性、光强分布和光能转换效率与圆柱透镜的半径、介质折射率、介质损耗、安装距离等可调参数以及界面反射的关系。同年，西安理工大学对“大气激光通信准直光学系统”进行了设计研究，通过分析光能耦合效率与数值孔径的关系，总结出规律用来确定光通信准直系统
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的数值孔径。中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，对大功率半导体激光器阵列光束光纤耦合进行了研究，给出了激光束准直、整形、聚焦及耦合的高功率半导体的光纤耦合方法，其耦合效率大于53%。
2005年，北京理工大学信息科学技术学院，对“光纤微透镜用于阵列半导体激光器快轴准直研究”进行了分析，以此为基础，研制了耦合光学系统，采用直径200?m柱面透镜准直后，阵列半导体激光器快轴方向发散角可减小到0.42o，系统准直耦合效率达到89%以上。同年，西安电子科技大学对“大功率半导体激光整形技术”进行了研究。设计了一种新型的stack型半导体激光束整形器件。该器件对光束发散进行压缩，得到7mm×7mm的正方形均匀光斑，并且光强起伏小于5%，在此范围内光能量占总的辐射能量的77%。
2006年，西安电子科技大学物理学院，对“半导体激光器远轴光束的准直特性”进行了研究，根据瑞利索末菲衍射公式，利用稳相法得出了半导体激光器远轴光束经过透镜准直后的场分布解析表达式。同年，西安电子科技大学物理学院还对“双半圆柱透镜准直半导体激光光束”进行了研究，理论上可将激光束快轴方向发散角压缩到0.1mrad的量级。清华大学精密仪器与机械学系光子与电子技术国家重点实验室，研究了“用于半导体激光器的棱镜组光束整形方法”,随着半导体激光器应用的日益广泛，半导体激光的光束质量在二维方向极不均衡的特点限制了它的应用范围。采用一种等腰直角棱镜组的整形方法，可实现二维方向的光束质量均匀化[3]。实验中整形后快慢轴的光束质量比较接近，整形效率达到90%。经过整形的半导体激光器可以作为高功率固体激光器和光纤激光器的抽运源使用。 1．4 本论文主要工作
本论文利用几何光学的知识，基于光线光学理论和利用柱透镜对半导体激光器光束准直的理论分析，运用ZEMAX软件进行准直系统设计。 围绕上述主题思想，本文的具体章节安排如下：
第一章：对本论文的选题目的及研究意义做简单介绍。 第二章：主要介绍半导体激光器的基本工作原理及器件构造。 第三章：主要分析半导体激光器的光束准直理论。
第四章：运用几何光学基本定理针对半导体激光器准直系统进行优化仿真设计，对
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其进行理论分析和数值模拟。
第五章：全文总结。概述本文的主要工作，并对下一步的发展提出建议。 1．5 本章小结
本章介绍了进行“基于980nm半导体激光器光束准直系统的设计”选题的目的和研究意义。并简单介绍了980nm半导体激光器目前国内外的发展现状和应用，主要针对激光束的准直技术发展和国内外研究成果进行了概述性的介绍。
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2 半导体激光器
2．1 半导体激光器的基本原理
半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激辐射而产生的光振荡器和光放大器的总称。 2.1.1 受激辐射
在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 ?)称为激发态。在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件：
E2-E1?hf12 （2.1）
其中h?6.628?10-34J?s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带。
依照量子理论，在热平衡状态下电子按能量分布遵从费米-狄拉克分布：
p?E??1?E?Ef1?exp??kT??? （2.2）
其中k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级。
高能级占有的电子数比低能级的电子数少，因此总的来说光被吸收。但是若给系统提供能量实现分布反转则产生净的光辐射而获得光放大。这就是激光作用的基本原理。 2.1.2 实现条件
就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激光器没有根本的区别，即都是基于受激辐射。要使激光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即粒子数反转条件与阈值条件。
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粒子束反转条件是必要条件，它意味着处于高能态的粒子(如半导体导带中的电子)数多于低能态的粒子数。达到这一条件，有源工作物质就具有增益。实现半导体中的反转分布，最有效的方法是由价带的电子激发到导带形成大量的电子-空穴对实现。在半导体PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强[4]。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。
阈值条件是充分条件，它要求粒子数必须反转到一定程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗(激光器的输出对有源介质来说也是一种损耗)，此后增益介质就具有净增益。阈值条件为：
?th?a?11 (2.3) ?ln2LR1R2其中?th为阈值增益系数，a为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，
R1、R2<1为两个反射镜的反射率。 2.2 半导体激光器的器件结构
围绕着不断提高半导体激光器的性能以满足日益增涨的应用，已发展了许多半导体激光器的结构。下面将要介绍几个典型的半导体激光器结构。 2.2.1 异质结半导体激光器
（1）双异质结半导体激光器(DH)
这种结构识将有源层加在同时具有宽带隙和低折射率的两种半导体材料之间，以便在垂直于结平面方向有效地限制载流子与光子。1970年基于此结构实现了GaAlAs／GaAs激射波长为0.89?m的半导体激光器在室温下连续工作。在此以GaAs半导体激光器为例说明半导体激光器的基本原理和结构。其结构概略如图2.1所示，在正向偏压下，电子和空穴分别从宽带隙的N区和P区注入有源区．它们在该区的扩散又分别受到PP异质结和PN异质结的限制，从而可以在有源区内积累起产生粒子数反转所需的非平衡载流子浓度。同时，窄带隙有源区有高的折射率，与两边低折射率的宽带隙层构成了一个限制光子在有源区内的介质光波导。
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